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通过前面文章的学习《一文详解「队列」,手撸队列的3种方法!》我们知道了队列(Queue)是先进先出(FIFO)的,并且我们可以用数组、链表还有 List 的方式来实现自定义队列,那么本文我们来系统的学习一下官方是如何实现队列的。
Java 中的队列有很多,例如:ArrayBlockingQueue
、LinkedBlockingQueue
、PriorityQueue
、DelayQueue
、SynchronousQueue
等,那它们的作用是什么?又是如何分类的呢?
其实 Java 中的这些队列可以从不同的维度进行分类,例如可以从阻塞和非阻塞进行分类,也可以从有界和无界进行分类,而本文将从队列的功能上进行分类,例如:优先队列、普通队列、双端队列、延迟队列等。
虽然本文的重点是从功能上对队列进行解读,但其它分类也是 Java 中的重要概念,所以我们先来了解一下它们。
阻塞队列和非阻塞队列
阻塞队列(Blocking Queue)提供了可阻塞的 put
和 take
方法,它们与可定时的 offer
和 poll
是等价的。如果队列满了 put
方法会被阻塞等到有空间可用再将元素插入;如果队列是空的,那么 take
方法也会阻塞,直到有元素可用。当队列永远不会被充满时,put
方法和 take
方法就永远不会阻塞。
我们可以从队列的名称中知道此队列是否为阻塞队列,阻塞队列中包含 BlockingQueue
关键字,比如以下这些:
ArrayBlockingQueue
LinkedBlockingQueue
PriorityBlockingQueue
.......
阻塞队列功能演示
接下来我们来演示一下当阻塞队列的容量满了之后会怎样,示例代码如下:
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
public class BlockingTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ArrayBlockingQueue q1 = new ArrayBlockingQueue(5);
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
q1.put(i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(new Date() + " | ArrayBlockingQueue Size:" + q1.size());
}
System.out.println(new Date() + " | For End.");
}).start();
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (!q1.isEmpty()) {
try {
q1.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
}
以上代码的执行结果如下:
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:1
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:2
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:3
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:4
Mon Oct 19 20:16:12 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:13 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:14 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:15 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:16 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | ArrayBlockingQueue Size:5
Mon Oct 19 20:16:17 CST 2020 | For End.
从上述结果可以看出,当 ArrayBlockingQueue
队列满了之后就会进入阻塞,当过了 1 秒有元素从队列中移除之后,才会将新的元素入列。
非阻塞队列
非阻塞队列也就是普通队列,它的名字中不会包含 BlockingQueue
关键字,并且它不会包含 put
和 take
方法,当队列满之后如果还有新元素入列会直接返回错误,并不会阻塞的等待着添加元素,如下图所示:
非阻塞队列的典型代表是 ConcurrentLinkedQueue
和 PriorityQueue
。
有界队列和无界队列
有界队列:是指有固定大小的队列,比如设定了固定大小的 ArrayBlockingQueue
,又或者大小为 0 的 SynchronousQueue
。
无界队列:指的是没有设置固定大小的队列,但其实如果没有设置固定大小也是有默认值的,只不过默认值是 Integer.MAX_VALUE,当然实际的使用中不会有这么大的容量(超过 Integer.MAX_VALUE),所以从使用者的角度来看相当于 “无界”的。
按功能分类
接下来就是本文的重点了,我们以功能来划分一下队列,它可以被分为:普通队列、优先队列、双端队列、延迟队列、其他队列等,接下来我们分别来看。
1.普通队列
普通队列(Queue)是指实现了先进先出的基本队列,例如 ArrayBlockingQueue
和 LinkedBlockingQueue
,其中 ArrayBlockingQueue
是用数组实现的普通队列,如下图所示:
而 LinkedBlockingQueue
是使用链表实现的普通队列,如下图所示:
常用方法
普通队列中的常用方法有以下这些:
offer():添加元素,如果队列已满直接返回 false,队列未满则直接插入并返回 true;
poll():删除并返回队头元素,当队列为空返回 null;
add():添加元素,此方法是对 offer 方法的简单封装,如果队列已满,抛出 IllegalStateException 异常;
remove():直接删除队头元素;
put():添加元素,如果队列已经满,则会阻塞等待插入;
take():删除并返回队头元素,当队列为空,则会阻塞等待;
peek():查询队头元素,但不会进行删除;
element():对 peek 方法进行简单封装,如果队头元素存在则取出并不删除,如果不存在抛出 NoSuchElementException 异常。
注意:一般情况下 offer() 和 poll() 方法配合使用,put() 和 take() 阻塞方法配合使用,add() 和 remove() 方法会配合使用,程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法,因此这两个方法比较友好,不会报错。
接下来我们以 LinkedBlockingQueue
为例,演示一下普通队列的使用:
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
static class LinkedBlockingQueueTest {
public static void main(String[] args) {
LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue();
queue.offer("Hello");
queue.offer("Java");
queue.offer("中文社群");
while (!queue.isEmpty()) {
System.out.println(queue.poll());
}
}
}
以上代码的执行结果如下:
Hello
Java
中文社群
2.双端队列
双端队列(Deque)是指队列的头部和尾部都可以同时入队和出队的数据结构,如下图所示:
接下来我们来演示一下双端队列 LinkedBlockingDeque
的使用:
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
* 双端队列示例
*/
static class LinkedBlockingDequeTest {
public static void main(String[] args) {
LinkedBlockingDeque deque = new LinkedBlockingDeque();
deque.offer("offer");
deque.offerFirst("offerFirst");
deque.offerLast("offerLast");
while (!deque.isEmpty()) {
System.out.println(deque.poll());
}
}
}
以上代码的执行结果如下:
offerFirst
offer
offerLast
3.优先队列
优先队列(PriorityQueue)是一种特殊的队列,它并不是先进先出的,而是优先级高的元素先出队。
优先队列是根据二叉堆实现的,二叉堆的数据结构如下图所示:
二叉堆分为两种类型:一种是最大堆一种是最小堆。以上展示的是最大堆,在最大堆中,任意一个父节点的值都大于等于它左右子节点的值。
因为优先队列是基于二叉堆实现的,因此它可以将优先级最好的元素先出队。
接下来我们来演示一下优先队列的使用:
import java.util.PriorityQueue;
public class PriorityQueueTest {
static class Viper {
private int id;
private String name;
private int level;
public Viper(int id, String name, int level) {
this.id = id;
this.name = name;
this.level = level;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getLevel() {
return level;
}
public void setLevel(int level) {
this.level = level;
}
}
public static void main(String[] args) {
PriorityQueue queue = new PriorityQueue(10, new Comparator<Viper>() {
@Override
public int compare(Viper v1, Viper v2) {
return v2.getLevel() - v1.getLevel();
}
});
Viper v1 = new Viper(1, "Java", 1);
Viper v2 = new Viper(2, "MySQL", 5);
Viper v3 = new Viper(3, "Redis", 3);
queue.offer(v1);
queue.offer(v2);
queue.offer(v3);
while (!queue.isEmpty()) {
Viper item = (Viper) queue.poll();
System.out.println("Name:" + item.getName() +
" Level:" + item.getLevel());
}
}
}
以上代码的执行结果如下:
Name:MySQL Level:5
Name:Redis Level:3
Name:Java Level:1
从上述结果可以看出,优先队列的出队是不考虑入队顺序的,它始终遵循的是优先级高的元素先出队。
4.延迟队列
延迟队列(DelayQueue)是基于优先队列 PriorityQueue
实现的,它可以看作是一种以时间为度量单位的优先的队列,当入队的元素到达指定的延迟时间之后方可出队。
我们来演示一下延迟队列的使用:
import lombok.Getter;
import lombok.Setter;
import java.text.DateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class CustomDelayQueue {
private static DelayQueue delayQueue = new DelayQueue();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
producer();
consumer();
}
public static void producer() {
delayQueue.put(new MyDelay(1000, "消息1"));
delayQueue.put(new MyDelay(3000, "消息2"));
}
public static void consumer() throws InterruptedException {
System.out.println("开始执行时间:" +
DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
while (!delayQueue.isEmpty()) {
System.out.println(delayQueue.take());
}
System.out.println("结束执行时间:" +
DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
}
static class MyDelay implements Delayed {
long delayTime = System.currentTimeMillis();
@Getter
@Setter
private String msg;
* 初始化
* @param delayTime 设置延迟执行时间
* @param msg 执行的消息
*/
public MyDelay(long delayTime, String msg) {
this.delayTime = (this.delayTime + delayTime);
this.msg = msg;
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return 1;
} else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return -1;
} else {
return 0;
}
}
@Override
public String toString() {
return this.msg;
}
}
}
以上代码的执行结果如下:
开始执行时间:2020-10-20 20:17:28
消息1
消息2
结束执行时间:2020-10-20 20:17:31
从上述结束执行时间和开始执行时间可以看出,消息 1 和消息 2 都正常实现了延迟执行的功能。
5.其他队列
在 Java 的队列中有一个比较特殊的队列 SynchronousQueue
,它的特别之处在于它内部没有容器,每次进行 put()
数据后(添加数据),必须等待另一个线程拿走数据后才可以再次添加数据,它的使用示例如下:
import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
public class SynchronousQueueTest {
public static void main(String[] args) {
SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();
new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
try {
System.out.println(new Date() + ",元素入队");
queue.put("Data " + i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
new Thread(() -> {
while (true) {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(new Date() + ",元素出队:" + queue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
以上代码的执行结果如下:
Mon Oct 19 21:00:21 CST 2020,元素入队
Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020,元素出队:Data 0
Mon Oct 19 21:00:22 CST 2020,元素入队
Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020,元素出队:Data 1
Mon Oct 19 21:00:23 CST 2020,元素入队
Mon Oct 19 21:00:24 CST 2020,元素出队:Data 2
从上述结果可以看出,当有一个元素入队之后,只有等到另一个线程将元素出队之后,新的元素才能再次入队。
总结
本文讲了 Java 中的 5 种队列:普通队列、双端队列、优先队列、延迟队列、其他队列。其中普通队列的典型代表为 ArrayBlockingQueue
和 LinkedBlockingQueue
,双端队列的代表为 LinkedBlockingDeque
,优先队列的代表为 PriorityQueue
,延迟队列的代表为 DelayQueue
,最后还讲了内部没有容器的其他队列 SynchronousQueue
。
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